某電廠空壓機(jī)電機(jī)軸斷裂原因分析

張留斌，耿進(jìn)鋒，王曉晨

（河南省電力公司 電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052）

2012年2月17號(hào)，河南某發(fā)電公司#1、#2機(jī)組#2空壓機(jī)電機(jī)軸，發(fā)生斷裂事故，#2空壓機(jī)為英格索蘭公司生產(chǎn)的M250型空壓機(jī)，電機(jī)軸材質(zhì)為#42鋼。

1 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況及宏觀分析

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，電機(jī)軸斷裂處位于驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承套內(nèi)，距連接齒輪約200 mm。據(jù)了解，該軸在運(yùn)行過(guò)程中，曾發(fā)生塌落事故，并造成軸外表磨損，電廠外委進(jìn)行了噴涂處理。檢查發(fā)現(xiàn)斷口附近軸表面整圈進(jìn)行了噴涂處理，厚度約1mm。電機(jī)軸斷口具有明顯的放射線紋，斷面上有多處面積較大的冶金缺陷，裂紋源點(diǎn)由冶金缺陷處撕裂斷開(kāi)。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取#2空壓機(jī)電機(jī)電流記錄，發(fā)現(xiàn)軸斷裂前由于空壓機(jī)負(fù)荷在不斷調(diào)整，電機(jī)電流每隔1 h左右，在14～32 A之間波動(dòng)。事發(fā)前12 h，空壓機(jī)一直帶負(fù)荷運(yùn)行，電流維持在30 A左右，2012年2月17日21:20左右，電流升至32 A，電機(jī)軸斷裂。

2 斷口試驗(yàn)分析

采用X-Met3000TX手持式光譜儀，對(duì)電機(jī)軸進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸基體和噴涂層含F(xiàn)e和Mn兩種元素，未見(jiàn)其他合金元素，二者材質(zhì)均為碳鋼。

2.1 斷面微觀組織形貌檢測(cè)

在體視顯微鏡下，進(jìn)行斷口形貌觀察，斷口內(nèi)部存在較多冶金缺陷，裂紋沿冶金缺陷處開(kāi)裂擴(kuò)展。

對(duì)試樣進(jìn)行拋光、采用4%硝酸酒精溶液浸蝕，試樣斷面呈現(xiàn)4種不同組織形貌（見(jiàn)圖1～圖4）。試樣斷面不同，區(qū)域組織形貌并不相同，其中圖1為涂層組織形貌。

圖1 涂層位置金相組織形貌圖

圖2 近涂層位置金相組織形貌圖

圖3 近基體位置金相組織形貌圖

圖4 基體位置金相組織形貌圖

由圖1可知，噴涂層位置處，組織形貌呈現(xiàn)波浪形，無(wú)法確定具體組織，非碳鋼正常組織形貌。

由圖2可知，近噴涂層位置處由兩種組織形貌，一種為針狀馬氏體組織，一種為先共析鐵素體+珠光體。針狀馬氏體組織出現(xiàn)的原因，為該處噴涂時(shí)溫度超過(guò)軸體材料Ac1相變點(diǎn)，空冷后未進(jìn)行回火所致。

由圖3可知，近基體處位置處組織形貌為先共析鐵素體+珠光體。

由圖4可知，基體位置處組織形貌為珠光體+魏氏體組織，屬于典型的過(guò)熱組織形貌。

從圖中也可以看到，裂紋起源于內(nèi)部冶金缺陷處，由內(nèi)向外擴(kuò)展，裂紋開(kāi)口較大。

2.2 硬度檢測(cè)

采用里氏硬度計(jì)，對(duì)電機(jī)軸基體和噴涂層進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，基體硬度值在156 HB左右，噴涂層硬度值在356 HB左右，相差很大。

3 原因分析

（1）由斷口形貌、宏觀和微觀檢查可以看到，電機(jī)軸基體內(nèi)部存在大量冶金缺陷和宏觀裂紋，裂紋起源于基體內(nèi)部冶金缺陷，由內(nèi)向外擴(kuò)展。

（2）常用軸體使用狀態(tài)應(yīng)為調(diào)質(zhì)組織，即淬火+高溫回火組織。而斷軸基體金相組織為粗大的珠光體組織和魏氏體組織，屬于正火組織形態(tài)，正火加熱時(shí)，過(guò)熱時(shí)間較長(zhǎng)，造成組織粗大。魏氏組織及粗大組織形態(tài)對(duì)基體的分割作用，使電機(jī)軸強(qiáng)度和沖擊韌性降低，脆性上升。

（3）由硬度檢測(cè)結(jié)果可知，噴涂層和基體硬度值差別約200 HB，造成結(jié)合面處表面應(yīng)力較大；電機(jī)軸體噴涂修復(fù)時(shí)加熱溫度過(guò)高，造成軸體局部區(qū)域出現(xiàn)淬硬馬氏體組織，這些因素在外載作用下，促進(jìn)缺陷開(kāi)裂并擴(kuò)展。

（4）由電機(jī)電流記錄曲線可以看出，空壓機(jī)正常運(yùn)行中頻繁進(jìn)行加載、卸載過(guò)程，在電機(jī)軸驅(qū)動(dòng)側(cè)不斷形成沖擊力。基體內(nèi)部缺陷在沖擊力作用下，不斷擴(kuò)展，最終造成電機(jī)軸脆性斷裂。

4 結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)軸體制造品質(zhì)嚴(yán)重不合格，基體內(nèi)部存在宏觀裂紋和大量冶金缺陷。在空壓機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中加載、卸載形成的沖擊力作用下，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，發(fā)生斷裂。

生產(chǎn)廠家在電機(jī)軸制造過(guò)程中，應(yīng)采用合格鍛件，嚴(yán)格制定熱處理工藝，并進(jìn)行產(chǎn)品品質(zhì)檢驗(yàn)。電廠在設(shè)備進(jìn)貨時(shí)，應(yīng)索取相關(guān)圖紙及品質(zhì)證明文件。

建議對(duì)其余電機(jī)軸進(jìn)行抽檢，避免此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生。

[1]蔡文河.電廠重要金屬部件的失效及其監(jiān)督[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]廖宏楷.電站鍋爐試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.